圓管內流動水發生結冰范文

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摘要：該文測量了不同運行狀態下圓管內流動水發生結冰的時間，研究了水的流速不變時圓管內表面溫度對結冰發生的影響，研究了水的流動狀態對結冰發生的影響，提出了防止圓管內流動的水發生結冰的條件，并從理論上對流動狀態對結冰發生的影響進行了分析。

關鍵詞：結冰發生的影響因素；圓管內流動；防止結冰

0引言

圓管內流動的水發生結冰是常見的一種現象，它會阻塞管道內水的流動，甚至損壞管道。在寒冷地帶輸水以及在過冷水連續制冰系統[1]、太陽能熱水系統[2]等工業設備中都需要防止圓管內流動的水發生結冰，尤其是太陽能熱水系統防凍問題的解決將極大推動太陽熱水系統的應用。通常防止結冰發生的方法是將水的溫度設置在0℃以上。曾有研究者[2]采用順序凍結的方法避免凍結損壞管道，其出發點仍然是認為水在0℃以下時一定發生結冰。但本文作者[3]在對靜止過冷水發生結冰的情況進行研究時發現，水的溫度在℃以下時可能不發生結冰，為了防止結冰的發生，并不一定需要將水的溫度設置在℃以上。圓管內流動的水也可能存在類似情況，本文將對圓管內流動的水發生結冰的影響因素進行研究。

A.P.S.Arora[4]最早對影響圓管內流動的水發生結冰的因素進行了實驗研究，但是在他的實驗中，圓管流動的水常常在實驗開始后幾秒鐘即發生結冰，未能獲得有效實驗數據。六串俊已[5]實驗研究結果表明，用水出口平均溫度計算的過冷度所能達到的最大值隨管內流動Re數的增加而減小。岡田孝夫[6]的實驗研究結果表明，當圓管表面最低溫度高于這個范圍時，圓管內流動的水不發生結冰。稻葉英男[7-10]實驗研究結果表明用沿管軸方向平均的圓管內表面溫度計算的過冷度所能達到的最大值隨著圓管內水流動Re數的增加而減小。因而，以前的研究者通過實驗研究得到的關于影響圓管內流動的水發生結冰的因素的結論各不相同。

Arora[4]最早從理論上對影響圓管內流動的水發生結冰的因素進行分析，認為只有從圓管內表面開始的δn距離內的水的溫度全部在形核溫度以下時，結冰才能發生。δn由最小臨界分子鏈長度決定。由此理論出發，Arora推論圓管內流動主流區最大過冷度隨著Re數的增加而增加。Arora的理論沒有能夠得到實驗結果的直接驗證，而其推論則與其本人的實驗結果相差甚遠。稻葉英男在文獻[7]中曾試圖闡明層流邊界層或層流底層的厚度與水在圓管口所能獲得的最大過冷度的關系，沒有成功，其在文獻[8-10]中試圖用Arora的理論解釋其實驗結果，但最終給出的關系式僅能表明換熱器過冷段的傳熱情況的關系式，不能反映出最大過冷度的依賴關系。

本文作者[3]曾對不銹鋼表面上靜止的過冷水發生結冰的規律進行過研究。

迄今為止，不管是實驗研究還是從理論上，研究者還不能夠清晰地闡明影響圓管內流動的水發生結冰的因素。本文首先通過實驗對影響圓管內流動的水發生結冰的因素進行研究，然后從理論上對實驗結果進行分析，提出了圓管內流動的水發生結冰的條件。

1實驗裝置及方法

圖1是實驗裝置系統示意圖。實驗裝置系統主要由3部分組成：冷源部分、本體部分和溫度測量部分。冷源部分由制冷

機、加熱器、分液箱和集液箱組成。制冷機與加熱器協調工作，向分液箱提供溫度穩定的冷媒，冷媒再由分液箱提供給實驗裝置系統本體部分，之后返回集液箱。溫度測量部分包括熱電偶冰點、數據采集儀和計算機。數據采集儀每1秒鐘測量1次熱電偶的電勢值并將其傳送給計算機，計算機將電勢值轉化為溫度值并儲存起來。

1-冷機2-加熱器3-集液箱4-分液箱5-本體部分6-冰點

7-數據采集儀8-計算機V1、V2-截止閥I冷源部分II-本體部分III-溫度測量部分

圖1實驗裝置系統示意圖

Fig.1Schematicdiagramofexperimentalapparatus

圖2是實驗裝置本體部分系統示意圖。其中，換熱器內管為1Gr18Ni9不銹鋼圓管，內徑9mm，外徑10mm，長300mm，外管為普通碳鋼管，內徑32mm，長度1500mm。在水的入口端，內管比外管長1400mm，充當水力入口段，保證在換熱段中水具有規則的流型。調節閥用來調節水的流量。集氣罐用來防止隨水流動的空氣進入換熱器。供水罐及管路均良好保溫，從而保證了實驗過程中換熱器入口水溫始終保持恒定。